Thuvienvatly.com: Góp thêm ‘náo nhiệt’ cho không khíGiải Nobel Vật lý 2011 cho những nhà tiên phong của năng lượng tối. Chúng tôi trích giới thiệu lại một số bài báo đã đăng trên tạp chí Physics World, số tháng 12/2007 nói về những mập mờ và thái độ của cộng đồng trong lịch sử khám phá ra sự giãn nở đang tăng tốc của vũ trụ và sự ra đời của khái niệm năng lượng tối, vật chất tối.
Eric Linder, Saul Perlmutter (Physics World, tháng 12/2007)
Một chục năm sau khi các nhà thiên văn vật lí phát hiện ra sự giãn nở của vũ trụ đang tăng tốc, ngày càng có nhiều phép đo mang lại cho chúng ta một số manh mối về bản chất của năng lượng tối đã điều khiển nó. Nhưng, như Eric Linder và Saul Perlmutter mô tả, những tiến bộ trong kĩ thuật quan trắc hứa hẹn sẽ làm sáng tỏ nền vật lí mang tính cách mạng này trong thập niên trước mắt.
Một thập niên trước, vũ trụ đã được chẩn đoán mang một chứng bệnh ác tính – có khả năng còn ở vào giai đoạn cuối – liên quan đến “năng lượng tối”. Dựa trên các quan trắc về sao siêu mới ở rất xa, vào đầu năm 1998, hai đội nhà thiên văn vật lí đã công bố kết luận lạ lùng rằng sự giãn nở của vũ trụ thật ra là đang tăng tốc – và không bị chậm lại dưới sự ảnh hưởng của lực hấp dẫn như người ta trông đợi. Công bố đó hầu như nằm ngoài niềm tin: để giải thích cho sự tăng tốc đó, khoảng 75% thành phần khối lượng-năng lượng của vũ trụ phải cấu thành từ một số chất liệu đẩy hấp dẫn huyền bí từ trước đến nay chưa ai từng nhìn thấy. Chất liệu này, cái sẽ quyết định số phận của vũ trụ, được đặt tên là năng lượng tối.
Vũ trụ không chỉ giãn nở, mà còn giãn nở với tốc độ ngày càng nhanh.
Giống như một người đương đầu với việc chẩn đoán một căn bệnh đe dọa tính mạng, cộng đồng khoa học đã tiến triển qua năm giai đoạn phản ứng trước việc khám phá ra năng lượng tối: phủ nhận, giận dữ, mặc cả, suy sụp tinh thần và chấp nhận. Nhờ một số quan sát độc lập, ngày nay chúng ta biết nhiều về giai đoạn thứ nhất ở trên.
Đầu tiên, những phép đo nền vi sóng vũ trụ - bể bức xạ vi sóng còn lại từ thời Big Bang – thực hiện hồi năm 2000 bởi các thí nghiệm khí cầu Boomerang và MAXIMA, và hồi năm 2003 bởi thí nghiệm WMAP, đã độc lập nhau mang lại sự ủng hộ cho một vũ trụ đang tăng tốc. Bằng chứng thêm nữa đến từ Cuộc khảo sát bầu trời Kĩ thuật số Sloan, hồi năm 2005 đã đo “các gợn sóng” trong sự phân bố của các thiên hà để lại dấu vết trong các dao động âm của plasma nguyên thủy 360.000 năm sau Big Bang khi vũ trụ đã đủ lạnh để cho vật chất và bức xạ tách riêng ra. Các nhà thiên văn cũng chống đỡ cho bằng chứng của họ cho một vũ trụ đang tăng tốc bằng nghiên cứu thấu kính hấp dẫn – cách thức ánh sáng phát ra từ những nguồn ở xa bị bẻ cong bởi trường hấp dẫn của các cụm thiên hà khối lượng lớn ở dọc đường. Cuối cùng, cách tiếp cận sao siêu mới nguyên thủy đã tự mở rộng và củng cố thêm bởi việc bao gồm nhiều vật thể hơn, đo được chính xác hơn và một phạm vi lớn hơn của lịch sử vũ trụ, với sự hỗ trợ của các kính thiên văn trên mặt đất và Kính thiên văn vũ trụ Hubble (xem hình).
Khám phá năng lượng tối được làm cho có thể thực hiện được nhờ thực tế đáng chú ý là độ sáng định cỡ của sao siêu mới loại Ia – sao đang bùng nổ - là như nhau cho dù nó ở cách bao xa đi nữa. Do đó, sao siêu mới tác dụng giống như một vật chỉ thị khoảng cách chính xác, nhờ đó cho phép các nhà nghiên cứu tìm hiểu động lực học vũ trụ. Hình trên biểu diễn “đường cong ánh sáng” của 73 sao siêu mới – độ sáng tăng lên từ khoảng 18 ngày trước độ sáng cực đại (được định nghĩa là ngày 0) và sau đó mờ dần đi - theo số liệu đo bởi Cuộc khảo sát sao siêu mới. Đường cong ánh sáng giống hệt biểu hiện bởi sao siêu mới ở độ lệch đỏ cao, z > 0,589 (màu đỏ), và độ lệch đỏ kém hơn có z < 0,589 (màu xanh).
Cùng với nhau, những quan trắc này đã đưa các nhà vũ trụ học đến một bản mô tả vũ trụ gọi là mô hình tương thích. Theo bức tranh này, 75% khối lượng - năng lượng của vũ trụ tồn tại dưới dạng một thành phần gia tốc đẩy hấp dẫn, bí ẩn, còn 25% còn lại có tương tác hút hấp dẫn. Thật ra, đa phần trong số 25% này (khoảng 5/6) không phải là vật chất thông thường mà là một số chất không biết nữa – gọi là vật chất tối – có tính hút hấp dẫn bình thường cho đến nay vẫn chưa kết hợp được với bức xạ điện từ. Nói chung, mô hình tương thích cho thấy chúng ta chỉ hiểu được một phần đáng xấu hổ chừng 4% thành phần của vũ trụ của chúng ta.
Đối mặt với số liệu
Cuối năm 2003, việc phủ nhận sự tăng tốc của vũ trụ không còn là một sự lựa chọn nữa. Tuy nhiên, vào lúc đó, sự thất vọng hoặc giận dữ mới bắt đầu dâng lên. Giống hệt như một người mắc bệnh gào lên giận dữ “tại sao lại là tôi, tại sao lại là lúc này ?”, các nhà vật lí thật sự muốn tìm hiểu xem tại sao vũ trụ lại đang tăng tốc chứ, và nhất là tại sao nó lại tăng tốc vào lúc này. Đây là do các quan sát sao siêu mới không thể cho chúng ta biết sao siêu mới là cái gì, thì tác dụng của nó lên việc xé toạc vũ trụ ra giống một cách trêu ngươi với cái mà người ta mong đợi nếu như vũ trụ thấm nhuần một hằng số vũ trụ lâu nay bị bỏ rơi của Einstein.
Ngay sau khi Einstein công khai lí thuyết tương đối tổng quát của ông vào năm 1915 – lí thuyết mô tả động lực học của vũ trụ và sự tiến triển của vật chất và năng lượng bên trong nó – ông đã đưa một hằng số vào trong các phương trình của mình để trung hòa lực hút hấp dẫn của vật chất thông thường. Ông làm điều này vì ông muốn lí thuyết mới của mình phù hợp với niềm tin lúc ấy rằng vũ trụ là tĩnh tại. Nhưng khi ấy, vào năm 1929, Edwin Hubble chỉ ra rằng vũ trụ đang giãn nở, Einstein buộc phải đưa ra hằng số vũ trụ học ra khỏi lí thuyết trở lại. Tuy nhiên, kể từ đó thì khả năng có năng lượng đẩy hấp dẫn vẫn còn tiềm ẩn trong lí thuyết của Einstein.
Thật kịch tính, mặc dù “hằng số vũ trụ học” rốt cuộc là một nguồn gây ra sự thất vọng não nề đối với các nhà vật lí, nhưng nó cũng được tiên đoán bởi nền vật lí của những đối tượng rất nhỏ: cơ học lượng tử. Lí thuyết trường lượng tử tiên đoán rằng ngay cả không gian trống rỗng cũng có mật độ năng lượng do sự sinh và hủy tự phát của các hạt sơ cấp. Tuy nhiên, trên cơ sở các hạt mà chúng ta đã biết là tồn tại, thì mật độ năng lượng chân không theo cơ học lượng tử sẽ lớn đến mức gây lúng túng gấp 10120 lần so với giá trị cần thiết để giải thích cho sự tăng tốc vũ trụ.
Ngoài câu hỏi hóc búa xem có một ứng cử viên tự nhiên nào như thế cho năng lượng tối vào 120 bậc độ lớn như vậy, thì sự tăng tốc của vũ trụ hình như chỉ mới bắt đầu gần đây trong lịch sử vũ trụ. Có lẽ hằng số vũ trụ học đã vượt quá tác dụng hấp dẫn của vật chất tại mọi thời điểm trong 13,7 tỉ năm qua, trong thời gian đó vũ trụ đã giãn nở lên gấp 1028 hay ngần ấy lần. Cho đến nay nó chỉ đóng góp hai bậc của hai lần giãn nở gần đây – giống như tỉ lệ so le 2 trong 1028 ! Những điều vô lí này hình như đơn thuần sắp đặt để làm cho các nhà khoa học điên dại, hay cho một lời giải thích kiểu con người trong đó các định luật của tự nhiên vì lí do gì đó liên kết với sự có mặt của chúng ta.
Các nhà vật lí chống lại sự giận dữ với việc mặc cả rằng có lẽ chúng ta không phải đương đầu với một hằng số vũ trụ học thật sự mà là một trường lượng tử biến thiên điều chỉnh mật độ năng lượng của chân không như thể vũ trụ giãn nở. Cách lí giải này cũng gợi đến sự lạm phát – giai đoạn tức thời sau Big Bang trong đó vũ trụ giãn nở thêm khoảng có lẽ chừng 1026 lần trong vòng chỉ 10-33 s. Có khả năng độ lớn của hằng số vũ trụ học đo được là nhỏ vì vũ trụ đã già nua, và có lẽ nguyên nhân tại sao sự tăng tốc xảy ra rất gần với thời hiện tại là do vật chất mới trở nên thống trị bức xạ và những cấu trúc đậm đặc khá gần đây thôi.
Từ năm 1998, các nhà lí thuyết đã nghiên cứu một phạm vi rộng những mô hình như thế, ví dụ gồm những lí thuyết trường lượng tử mới như “thuyết nguyên tố thứ năm” và các mở rộng của thuyết tương đối tổng quát (xem hình bên dưới). Tiến bộ lớn đã được thực hiện trong việc sàng lọc ngôi vườn mô hình, nhưng vẫn còn đó một lùm cây um tùm. Khó khăn trong việc lựa chọn trong số nhiều đề xuất cho năng lượng tối – cùng với thực tế là đa số phép đo chúng ta có thể tiến hành thử và tìm hiểu tính chất của nó dựa trên nền thiên văn vật lí phức tạp của các vật thể xa xôi – đã mang một bộ phận cộng đồng vào giai đoạn chán nản.
Năng lượng tối – chất liệu chưa rõ đang làm cho sự giãn nở của vũ trụ tăng tốc – có thể do những dao động lượng tử của chân không, chúng có thể được xem là “tính co giãn” của không gian trống rỗng. Việc tìm hiểu trường lượng tử là tĩnh tại hay biến thiên theo thời gian sẽ mang lại cho chúng ta những manh mối quan trọng về nguồn gốc của năng lượng tối. Hằng số vũ trụ học của Einstein, với nó các số liệu hiện nay là tương thích, giống như một trường của các lò xo giống hệt nhau không thay đổi theo thời gian (hình chèn phía trên), còn “thuyết nguyên tố thứ năm” thì giống như trường biến thiên trong không gian và thời gian (hình chèn vào phía dưới).
Tuy nhiên, những tiến bộ đạt được trong vài năm gần đây cho thấy có thể sẽ có ánh sáng ở cuối đường hầm. Một sự phối hợp của các thí nghiệm thế hệ mới, lí thuyết và chương trình máy tính sẽ sớm đưa các nhà nghiên cứu vào giai đoạn chấp nhận, và phấn khởi hơn nữa là sự hiểu biết và đánh giá đúng bản chất của vũ trụ đang tăng tốc của chúng ta.
Học cách đi
Trong 10 năm kể từ khi phát hiện ra sự tăng tốc của vũ trụ, các nhà vật lí đã học được cơ sở của cách đi và nói. Phần nhiều trong số này là xác định “phương trình trạng thái” cho năng lượng tối. Einstein đã chỉ ra rằng ngoài khối lượng, mọi dạng năng lượng đều đóng góp cho sự hấp dẫn. Đặc biệt, thuyết tương đối rộng tiên đoán rằng cường độ của lực hút hấp dẫn bị chi phối bởi sự kết hợp nhất định của mật độ năng lượng, ρ, và áp suất p, dưới dạng: ρ + 3p. Tuy nhiên, nếu áp suất là âm (như khi hai vật phân cách nhau bằng các lò xo cuộn lại chẳng hạn), sự kết hợp này có thể có giá trị nhỏ hơn không, như vậy đã chuyển hấp dẫn từ lực hút thành lực đẩy.
Vì thế, các nhà vật lí thường định nghĩa phương trình trạng thái dưới dạng w = p/ρ, trong đó w nhỏ hơn – 1/3 để gây ra sự tăng tốc của vũ trụ. Hằng số vũ trụ học Einstein tương ứng với w = - 1, vì tình huống trong đó áp suất bằng, và đối với mật độ năng lượng thì đó là cách duy nhất để thu được mật độ năng lượng độc nhất không thay đổi trong không gian và thời gian, như Einstein vẫn nghĩ. Nhưng trong nỗ lực tìm hiểu bản chất và nguồn gốc của năng lượng tối, các nhà nghiên cứu đã tiến xa khỏi những phương trình trạng thái đơn giản nhất này và nghiên cứu những giá trị khác của w và nhất là hiện nay đang tìm cách hiểu các tính chất của năng lượng tối là hàm của thời gian, w(t).
Nhờ những dữ liệu thu thập qua những quan sát trên mặt đất và trên không gian trong một thập niên vừa qua, chúng ta biết rằng w đạt mức trung bình trong 7 tỉ năm vừa qua – từ khi vũ trụ có phân nửa kích thước hiện nay của nó – trong vòng 10% hằng số vũ trụ học Einstein, w = -1. Thời kì gia tốc có lẽ bắt đầu khoảng 5 tỉ năm trước, trước đó năng lượng tối còn hiếm nên lực hút hấp dẫn thống trị và làm chậm dần sự giãn nở của vũ trụ (tức là sự giảm tốc vũ trụ).
Hiểu biết của chúng ta về việc năng lượng tối thật ra phát sinh như thế nào và nó có biến thiên theo thời gian hay không thì khiêm tốn hơn nhiều lắm. Ví dụ, trước giờ mọi người chúng ta có thể kết luận rằng w không biến thiên nhiều hơn hai lần trong 7 tỉ năm vừa qua. Thách thức hiện nay là biến sự hiểu biết của chúng ta về w thành phép đo chính xác, với sai số cỡ 2%, và biết nó biến thiên như thế nào theo thời gian đến độ chính xác tốt hơn 10%. Khi đó, chúng ta sẽ có nhiều chỉ dẫn hơn về nền vật lí mới chi phối vũ trụ của chúng ta.
Một phương pháp thu được kết quả này là thu thập nhiều loại dữ liệu hơn nữa bằng các dụng cụ khảo sát vũ trụ trực tiếp và đã biết rõ. Dễ dàng thấy việc thu thập thêm nhiều loại dữ liệu hơn so với hiện nay chúng ta có là không đủ, chúng ta cần phải quan sát các sao siêu mới và thiên hà nằm sâu hơn nữa trong không gian và nhờ đó là nhìn xa hơn nữa ngược dòng thời gian. Chúng ta cũng cần phải có thể tách biệt rõ ràng hơn nhiều so với hiện nay những tính chất đích thực của vũ trụ từ sự không hoàn hảo trong những quan sát của chúng ta. Chẳng hạn, một sao siêu mới có thể xuất hiện trước mắt chúng ta dưới dạng mờ tối vì nó nằm ở quá xa hoặc ánh sáng của nó bị tán xạ bởi bụi trong thiên hà nơi nó cư trú, và thấu kính hấp dẫn, vì sự làm lu mờ hình ảnh của kính thiên văn do bầu khí quyển của Trái Đất.
Do nhiều tính chất của năng lượng tối bị hòa lẫn với các đại lượng khác, chẳng hạn như mật độ vật chất trong vũ trụ, nên cần thiết phải sử dụng nhiều kĩ thuật quan trắc khác nhau. Hơn nữa, do năng lượng tối vừa ảnh hưởng trực tiếp lên các khoảng cách vũ trụ vừa ảnh hưởng gián tiếp lên sự phát triển của các thiên hà và các cụm thiên hà (vì thật khó cho các cụm khối lượng phát triển nếu như không gian xung quanh chúng bị kéo nhanh ra xa nhau), nên những kĩ thuật bổ sung cũng có thể giúp trả lời những câu hỏi quan trọng về mùi vị cần thiết của nền vật lí mới. Đây có thể là một thành phần vật lí mới, ví dụ như năng lượng trường lượng tử, cái ảnh hưởng đến khoảng cách vũ trụ và sự phát triển thiên hà theo cách giống nhau, hay một quy luật vật lí mới mở rộng thuyết hấp dẫn Eíntein, cái ảnh hưởng đến khoảng cách và sự phát triển thiên hà theo những kiểu khác nhau.
Nếu nhìn vào bản ghi vết tích phát hiện nền vật lí mới của các nhà thiên văn, chúng ta có thể thấy tại sao chúng ta cần có những quan sát mới để giải quyết vấn đề. Nan đề của thế kỉ 18 về chuyển động của các hành tinh nhóm ngoài hệ Mặt Trời đã được giải quyết bằng cách thêm vào một thành phần vật chất mới – đó là Hải Vương tinh, phát hiện ra năm 1829. Nan đề của thế kỉ 19 về chuyển động của hành tinh nhóm trong, Thủy tinh, mặt khác, đã đưa đến sự mở rộng thuyết hấp dẫn Newton: thuyết tương đối tổng quát. Nan đề của thế kỉ 20 về chuyển động của các sao trong các thiên hà có khả năng sẽ được giải quyết bằng việc khám phá ra một thành phần mới – các hạt vật chất tối, mặc dù cho đến nay chúng ta chưa hề phát hiện ra chúng. Đối với vật chất tối, hiện nay là vấn đề cấp thiết nhất trong vũ trụ học, bí ẩn của thành phần mới cùng với quy luật mới chỉ có thể kết luận thông qua những thí nghiệm được lên kế hoạch cẩn thận.
